Олово

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
50 ИндийОловоСурьма
Ge

Sn

Pb
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
50Sn
Unknown.svg
Electron shell 050 Tin.svg
Внешний вид простого вещества
β-олово
Серебристо-белый мягкий, пластичный металл (β-олово) или серый порошок (α-олово)
Свойства атома
Название, символ, номер

О́лово / Stannum (Sn), 50

Атомная масса
(молярная масса)

118,710(7)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Kr] 4d10 5s2 5p2

Радиус атома

162 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

141 пм

Радиус иона

(+4e) 71 (+2) 93 пм

Электроотрицательность

1,96 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

-0,136

Степени окисления

+4, +2

Энергия ионизации
(первый электрон)

 708,2 (7,34) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

7,31 г/см³

Температура плавления

231,9 °C

Температура кипения

2873 K

Уд. теплота плавления

7,07 кДж/моль

Уд. теплота испарения

296 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

27,11[2] Дж/(K·моль)

Молярный объём

16,3 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

тетрагональная

Параметры решётки

a=5,831;c=3,181 Å

Отношение c/a

0,546

Температура Дебая

170,00 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 66,8 Вт/(м·К)

50
Олово
Sn
118,710
4d105s25p2

О́лово (лат. Stannum; обозначается символом Sn) — элемент 14-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы IV группы), пятого периода, с атомным номером 50[3]. Относится к группе лёгких металлов. При нормальных условиях простое вещество олово — пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета. Олово образует две аллотропические модификации: ниже 13,2 °C устойчиво α-олово (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза, выше 13,2 °C устойчиво β-олово (белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой[2].

История[править | править вики-текст]

Олово было известно человеку уже в IV тысячелетии до н. э. Этот металл был малодоступен и дорог, поэтому изделия из него редко встречаются среди римских и греческих древностей. Об олове есть упоминания в Библии, Четвёртой Книге Моисеевой. Олово является (наряду с медью) одним из компонентов бронзы, изобретённой в конце или середине III тысячелетия до н. э.. Поскольку бронза являлась наиболее прочным из известных в то время металлов и сплавов, олово было «стратегическим металлом» в течение всего «бронзового века», более 2000 лет (очень приблизительно: 35—11 века до н. э.).

Капля расплавленного олова

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Латинское название stannum, связанное с санскритским словом, означающим «стойкий, прочный», первоначально относилось к сплаву свинца и серебра, а позднее к другому, имитирующему его сплаву, содержащему около 67 % олова; к IV веку этим словом стали называть собственно олово.

Слово олово — общеславянское, имеющее соответствия в балтийских языках (ср. лит. alavas, alvas — «олово», прусск. alwis — «свинец»). Оно является суффиксальным образованием от корня ol- (ср. древневерхненемецкое elo — «жёлтый», лат. albus — «белый» и пр.), так что металл назван по цвету[4].

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Олово — редкий рассеянный элемент, по распространенности в земной коре олово занимает 47-е место. Кларковое содержание олова в земной коре составляет, по разным данным, от 2·10−4 до 8·10−3 % по массе. Основной минерал олова — касситерит (оловянный камень) SnO2, содержащий до 78,8 % олова. Гораздо реже в природе встречается станнин (оловянный колчедан) — Cu2FeSnS4 (27,5 % Sn).

Месторождения[править | править вики-текст]

Мировые месторождения олова находятся в Юго-Восточной Азии, в основном в Китае, Индонезии, Малайзии и Таиланде. Также есть крупные месторождения в Южной Америке (Боливии, Перу, Бразилии) и Австралии.

В России запасы оловянных руд расположены в Чукотском автономном округе (рудник/посёлок Валькумей, Иультин — разработка месторождений закрыта в начале 1990-х годов), в Приморском крае (Кавалеровский район), в Хабаровском крае (Солнечный район, Верхнебуреинский район (Правоурмийское месторождение)), в Якутии (месторождение Депутатское) и других районах.

Распространённость в природе[править | править вики-текст]

Распространённость в природе отражена в следующей таблице[5]:

Геол. объект Камен. метеориты Дуниты и др. Базальты и др. Диориты и др. Гранитоиды Глины и др. Вода океанов Живое вещество(% на живой вес) Почва Зола растений
Содержание, вес. % 001·10−4 05·10−5 01,5·10−4 0000 0003·10−4 1·10−3 07·10−7 00005·10−5 1·10−3 005·10−4

В незагрязнённых поверхностных водах олово содержится в субмикрограммовых концентрациях. В подземных водах его концентрация достигает единиц микрограмм на дм³, увеличиваясь в районе оловорудных месторождений, оно попадает в воды за счёт разрушения в первую очередь сульфидных минералов, неустойчивых в зоне окисления. ПДКSn = 2 мг/дм³.

Кристаллы касситерита — оловянная руда

Олово является амфотерным элементом, то есть элементом, способным проявлять кислотные и основные свойства. Это свойство олова определяет и особенности его распространения в природе. Благодаря этой двойственности олово проявляет литофильные, халькофильные и сидерофильные свойства. Олово по своим свойствам проявляет близость к кварцу, вследствие чего известна тесная связь олова в виде окиси (касситерита) с кислыми гранитоидами (литофильность), часто обогащёнными оловом, вплоть до образования самостоятельных кварц-касситеритовых жил. Щелочной характер поведения олова определяется в образовании довольно разнообразных сульфидных соединений (халькофильность), вплоть до образования самородного олова и различных интерметаллических соединений, известных в ультраосновных породах (сидерофильность).

Формы нахождения[править | править вики-текст]

Основная форма нахождения олова в горных породах и минералах — рассеянная (или эндокриптная). Однако олово образует и минеральные формы, и в этом виде часто встречается не только как акцессорий в кислых магматических породах, но и образует промышленные концентрации преимущественно в окисной (касситерит SnO2) и сульфидной (станнин) формах[6].

Твёрдая фаза. Минералы[править | править вики-текст]

Кристаллы касситерита

В общем можно выделить следующие формы нахождения олова в природе:

  1. Рассеянная форма; конкретная форма нахождения олова в этом виде неизвестна. Здесь можно говорить об изоморфно рассеянной форме нахождения олова вследствие наличия изоморфизма с рядом элементов (Ta, Nb, W — с образованием типично кислородных соединений; V, Cr, Ti, Mn, Sc — с образованием кислородных и сульфидных соединений). Если концентрации олова не превышают некоторых критических значений, то оно изоморфно может замещать названные элементы. Механизмы изоморфизма различны.
  2. Минеральная форма: олово установлено в минералах-концентраторах. Как правило, это минералы, в которых присутствует железо Fe+2: биотиты, гранаты, пироксены, магнетиты, турмалины и т. д. Эта связь обусловлена изоморфизмом, например по схеме Sn+4 + Fe+2 → 2Fe+3. В оловоносных скарнах высокие концентрации олова установлены в гранатах (до 5,8 вес.%) (особенно в андрадитах), эпидотах (до 2,84 вес.%) и т. д.

На сульфидных месторождениях олово входит как изоморфный элемент в сфалериты (Силинское месторождение, Россия, Приморье), халькопириты (Дубровское месторождение, Россия, Приморье), пириты. Высокие концентрации олова выявлены в пирротине грейзенов Смирновского месторождения (Россия, Приморье). Считается, что из-за ограниченного изоморфизма происходит распад твёрдых растворов с микровыделениями Cu2+1Fe+2SnS4 или тиллита PbSnS2 и других минералов.

Собственно минеральные формы[править | править вики-текст]

Самородные элементы, сплавы и интерметаллические соединения[править | править вики-текст]

Хотя концентрации этих минералов в породах очень низки, однако распространены они в широком круге генетических образований. Среди самородных форм вместе с Sn выявлены Fe, Al, Cu, Ti, Cd и т. д., не считая уже известные самородные платиноиды, золото и серебро. Эти же элементы образуют между собой и различные сплавы: (Cu + Sn + Sb), (Pb + Sn + Sb) и др., а также твёрдые растворы. Среди интерметаллических соединений установлены стистаит SnSb, атакит (Pd,Pt)3Sn, штумырлит Pt(Sn,Bi), звягинцевит (Pd,Pt)3(Pb,Sn), таймырит (Pd,Cu,Pt)3Sn и другие[7][8].

Приведённые формы нахождения олова и других элементов встречаются в различных геологических образованиях[8]:

  1. Группа интрузивных и эффузивных магматических пород: траппы, пикриты Сибирской платформы, гипербазиты и габброиды Камчатки, кимберлиты Якутии, лампроиты Алдана и т. д.; гранитоиды Приморья, Дальнего Востока, Тянь-Шаня.
  2. Группа метасоматически и гидротермально изменённых пород: медно-никелевые руды Сибирской платформы, золоторудные объекты Урала, Кавказа, Узбекистана и т. д.[9]
  3. Группа современного рудообразования: пелагические осадки Тихого океана, продукты Большого Трещинного Толбачинского извержения, гидротермальная система Узон на Камчатке и пр.
  4. Группа осадочных пород различного происхождения.
Окисные соединения олова[править | править вики-текст]

Наиболее известной формой является главный минерал олова — касситерит SnO2, представляющий собой соединение олова с кислородом. В минерале по данным ядерной гамма-резонансной спектроскопии присутствует Sn+4.

Касситерит

Касситерит (от греч. kassiteros — олово) — главный рудный минерал для получения олова. Теоретически содержит 78,62 % Sn. Образует отдельные выделения, зерна, сплошные массивные агрегаты, в которых зерна минерала достигают в размере 3 — 4 мм и даже больше.

  • Плотность 6040-7120 кг/м³ (наиболее низкая у светлоокрашенных касситеритов).
  • Твердость 6½.
  • Блеск — матовый, на гранях — алмазный.
  • Спайность несовершенная.
  • Излом раковистый.

Основные формы выделения касситерита:

  1. микровключения в других минералах;
  2. акцессорные выделения минерала в породах и рудах;
  3. сплошные или вкрапленные руды: игольчатые радиально-лучистые агрегаты (Приморье), коломорфные и криптокристаллические выделения и скопления (Приморье); кристаллическая форма — главная форма выделения касситерита. В России месторождения касситерита имеются на Северо-Востоке, в Приморье, Якутии, Забайкалье; за рубежом — в Малайзии, Таиланде, Индонезии, КНР, Боливии, Нигерии и др.

Гидроокисные соединения

Второстепенное место занимают гидроокисные соединения олова, которые можно рассматривать как соли полиоловянных кислот. К ним можно отнести минерал сукулаит Ta2Sn2+2O[10]; твёрдый раствор олова в магнетите вида Fe2SnO4 или Fe3SnO3 (Бретштейн Ю. С., 1974;Воронина Л. Б. 1979); «варламовит» — продукт окисления станнина; считается, что он представляет собой смесь аморфных и полуаморфных соединений Sn, метаоловянной кислоты, поликонденсированной фазы и гидрокасситеритовой фазы. Известны также гидратированные продукты окисления — гидромартит 3SnOxH2O; мушистонит (Cu,Zn,Fe)Sn(OH)6; гидростаннат меди CuSn(OH)6 и др.

Силикаты

Известна многочисленная группа силикатов олова, представленная малаяитом CaSn[SiO5][11]; пабститом Ba(Sn, Ti)Si3O9[12], стоказитом Ca2Sn2Si6O18x4H2O и др. Малаяит образует даже промышленные скопления.

Шпинелиды

Из других окисных соединений известны также шпинелиды, например, минерал нигерит Sn2Fe4Al16О32 (Peterson E.U., 1986).

Сульфидные соединения олова[править | править вики-текст]

Включает различные соединения олова с серой. Это вторая по промышленному значению группа минеральных форм нахождения олова. Наиболее важным из них является станнин, второй по значению минерал. Кроме этого отмечаются франкеит Pb5Sn3Sb2S14, герценбергит SnS, берндтит SnS2, тиллит PbSnS2 и кестерит Cu2ZnSnS4. Выявлены и более сложные сульфидные соединения олова со свинцом, серебром, медью, имеющие в основном минералогическое значение. Тесная связь олова с медью обусловливает частое присутствие на оловорудных месторождения халькопирита CuFeS2 с образованием парагенезиса касситерит — халькопирит.

Станнин

Станнин (от лат. stannum — олово), оловянный колчедан, минерал из класса сульфидов с общей формулой вида Cu2FeSnS4. Она следует из формулы халькопирита путём замены одного атома Fe на Sn. Содержит 29,58 % Cu, 12,99 % Fe, 27,5 % Sn и 29,8 S, а также примеси Zn, Sb, Cd, Pb и Ag. Широко распространённый минерал в оловорудных месторождениях России. На ряде местрождений России (Приморье, Якутия) и Средней Азии (Таджикистан) он является существенным элементов сульфидных минералов и часто вместе с варламовитом составляет 10—40 % общего олова. Часто образует вкрапленность в сфалерите ZnS, халькопирите. Во многих случаях наблюдаются явления распада станнина с выделением касситерита.

Коллоидная форма[править | править вики-текст]

Коллоидные и олово-кремнистые соединения играют значительную роль в геохимии олова, хотя детально она не изучена. Значительное место в геологии элемента играют коломорфные соединения и продукты его кристаллических превращений в скрытокристаллические разности. Коломорфный касситерит рассматривается как форма выражения вязких гелеобразных растворов.

Независимые исследования выявили аномально высокую растворимость SnO2 в хлор-кремниевых растворах. Максимальная растворимость достигается при отношении \frac{\mathsf{SnO}_2}{\mathsf{SiO}_2}= 1{,}5.

Анализ свойств соединения Sn(OH)4 и близость их к соединению Si(OH)4 выявляет способность его к полимеризации с образованием в конечном счёте соединений H2SnkO2k+1, SnkO2k−1(OH)2. В обоих случаях возможно замещение группы (ОН) на анионы F и Cl.

Таким образом, полимеризация молекул Sn(OH)4 и соединение их с молекулами Si(OH)4 ведёт к образованию геля (коллоида) и появлению цепочек HmSn2nSinOp, причём m ≤ 8[13], или Hs[SiO2n(SnOm)d] (Некрасов И. Я. и др., 1973).

Имеющиеся данные говорят о том, что коллоидная форма является естественным промежуточным звеном при осаждении олова из гидротермальных растворов.

Формы нахождения олова в жидкой фазе[править | править вики-текст]

Наименее изученная часть геохимии олова, хотя в газово-жидких включениях установлены касситериты в виде минералов-узников (Кокорин А. М. и др., 1975). Работ по анализу конкретных оловосодержащих природных растворов нет. В основном вся информация основана на результатах экспериментальных исследований, которые говорят только о вероятных формах нахождения олова в растворах. Существенную роль в разработке методики этих исследований принадлежит академику В. Л. Барсукову[6]

Вся совокупность экспериментально установленных форм нахождения олова в растворах разбивается на группы:

  1. Ионные соединения. Эти соединения и их структура описываются с позиций классических валентных и стереохимических представлений. Выделяюся подгруппы:
    1. Простые ионы Sn+2 и Sn+4 в основном обнаружены в магматических расплавах, а также в гидротермальных растворах, обладающими низкими значениями рН. Однако в существующих гидротермальных системах, отражаемых составом газово-жидких включений, такие условия не установлены.
    2. Соли галлоидных кислот - SnF2, SnF40, SnCl40. Считается, что роль хлора в переносе и отложении олова и сопутствующих металлов более значительна, чем роль фтора.
    3. Гидроксильные соединения олова. В щелочных условиях исходными являются соединения H2SnO2, H2SnO4, H2SnO3. Эти формы часто устанавливаются на основе известных минеральных форм. Часть этих форм имеет как искусственное (CaSnO3, Ca2SnO4), так и природное (FeSnO2, Fe2SnO4) происхождение. В кислых средах эти соединения ведут себя как слабые основания типа Sn(OH)2, Sn(OH)4. Считается, что одной из форм проявления подобных соединений является варламовит. Согласно экспериментальным данным Sn(OH)4 отлагается только при Т< 280 °C в слабокислых или нейтральных условиях при рН = 7 — 9. Соединения Sn(OH)4 и Sn(OH)3+ устойчивы при рН= 7 — 9, тогда как Sn(OH)2+2 и Sn(OH)+2 — при рН < 7.
      Довольно часто группы (ОН)−1 замещаются на F и Cl, создавая галогенозамещённые модификации гидросоединений олова. В общем виде эти формы представлены соединениями Sn(OH)4-kFk или Sn(OH)4-kFk-nn. В целом соединение Sn(OH)3F устойчиво при Т = 25 — 50 °C, а Sn(OH)2F² при Т = 200 °C.
    4. Сульфидные соединения. По экспериментальным данным в растворе присутствуют соединения SnS4−4 или SnS3−2 при рН > 9; SnS2O−2 (pH = 8 — 9) и Sn(SH)4 (pH = 6). Имеется упоминание о существовании соединения типа Na2SnS3, неустойчивого в кислой среде.
  2. Комплексные соединения олова изучены при растворении касситерита во фторированных средах. Эти соединения отличаются высокой растворимостью. Этими же свойствами обладают соединения, полученные в хлоридных растворах. В качестве основных форм комплексных соединений, известных из экспериментов, можно назвать Na2[Sn(OH)6], Na2[SnF6], Na2[Sn(OH)2F4] и пр. Эксперименты показали, что комплекс Sn(OH)4F2−2 будет преобладать при Т = 200 °C.
  3. Коллоидные и олово-кремнистые соединения. Об их существовании говорит присутствие на многих месторождениях коломорфных выделений касситерита. Смотреть выше.

Промышленные типы месторождений олова[править | править вики-текст]

Описанные выше геохимические особенности олова находят косвенное отражение в формационной классификации оловорудных месторождений, предложенной Е. А. Радкевич с последующими дополнениями.

А. Формация оловоносных гранитов. Касситерит установлено в акцессорной части гранитов.
Б. Формация редкометальных гранитов. Это граниты литионит-амазонит-альбитового типа (апограниты по А. А. Беусу). Касситерит в акцессорной части вместе колумбит-татнатлитом, микролитом и пр.
В. Формация оловоносных пегматитов. Оловянная минерализация характерна для Be-Li-, Be-Ta-, F-Li- типов.
Г. Формация полевошпат-кварц-касситеритовая. Выделена Ив. Ф. Григорьевым. Это кварц-полевошпатовые жилы с касситеритом и др. минералами.
Д.Формация кварц-касстеритовая. Распространена на СВ России. Это жильные зоны, грейзены с кварцем, мусковитом, вольфрамитом, касситеритом и др.
Е.Формация касситерит-силикатно-сульфидная с турмалиновым и хлоритовым типами. Одна из основных продуктивных формаций Приморья России.
Ж.Формация касситерит-сульфидная. Также основная оловопродуктивная формация. В ней выделяют основные типы:
  1. штокверковое олово-вольфрамовое оруденение;
  2. рудные тела квар-касситерит-арсенопиритового типа;
  3. продуктивные кварцевые жилы сульфидно-касситерит-хлоритового типа;
З.Формация оловянно-скарновая.
И.Формация деревянистого олова (риолитовая формация).
К.Формация основных и ультраосновных пород (по И. Я. Некрасову)[12][13]
Л.Формация щелочных пород Украины(по В. С. Металлиди, 1988).

Производство[править | править вики-текст]

В процессе производства рудоносная порода (касситерит) подвергается дроблению до размеров частиц в среднем ~ 10 мм, в промышленных мельницах, после чего касситерит за счет своей относительно высокой плотности и массы отделяется от пустой породы вибрационно-гравитационном методом на обогатительных столах. В дополнение применяется флотационный метод обогащения/очистки руды. Таким образом удается повысить содержание олова в руде до 40-70 %. Далее проводят обжиг концентрата в кислороде для удаления примесей серы и мышьяка. Полученный концентрат оловянной руды выплавляется в печах. В процессе выплавки восстанавливается до свободного состояния посредством применения в восстановлении древесного угля, слои которого укладываются поочередно со слоями руды, или алюминием (цинком) в электропечах: SnO2 + C = Sn + CO2. Особо чистое олово полупроводниковой чистоты готовят электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки[14].

Физические свойства[править | править вики-текст]

Плотность: в твердом состоянии при 20°С — 7,3 г/см³; в жидком состоянии при температуре плавления — 6,98 г/см³;
Температура: плавления — 231,9°С; кипения — 2600°С;
Коэффициент линейного расширения при температуре 20−100°С — 22,4•10−6 К−1;
Удельная теплоемкость: в твердом состоянии при 20°С — 226 Дж/(кг•К); в жидком состоянии при температуре плавления — 268 Дж/(кг•К);
Теплопроводность при 20°С — 65,8 Вт/(м•К);
Удельное электросопротивление при 20°С — 0,115 мкОм•м;
Удельная электропроводность при 20°С — 8,69 МСм/м;
Механические и технологические свойства олова:
Модуль упругости 55 ГПа при 0°С и 48 ГПа при 100°С
Временное сопротивление разрыву — 20 МПа;
Относительное удлинение — 80 %;
Твердость по Бринеллю — 50 МПа;
Температура литья — 260−300 °С;

Простое вещество олово полиморфно. В обычных условиях оно существует в виде β-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2 °C. Белое олово — это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл, обладающий тетрагональной элементарной ячейкой, параметры a = 0,5831, c = 0,3181 нм. Координационное окружение каждого атома олова в нём — октаэдр. Плотность β-Sn 7,228 г/см3.

При охлаждении, например, при морозе на улице, белое олово переходит в α-модификацию (серое олово). Серое олово имеет структуру алмаза (кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 0,6491 нм). В сером олове координационный полиэдр каждого атома — тетраэдр, координационное число 4. Фазовый переход β-Sn в α-Sn сопровождается увеличением удельного объёма на 25,6 % (плотность α-Sn составляет 5,75 г/см3), что приводит к рассыпанию олова в порошок. В старые времена наблюдавшееся во время сильных холодов рассыпание оловянных изделий называли «оловянной чумой». В результате этой «чумы» пуговицы на обмундировании солдат, их пряжки, кружки, ложки рассыпались, и армия могла потерять боеспособность. (Подробнее об «оловянной чуме» см. интересные факты об олове, ссылка внизу этой страницы). Белое олово превращается в серое также под действием ионизирующего излучения[15].

Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, β-Sn — металл, а α-Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К \alpha-Sn переходит в сверхпроводящее состояние. Стандартный электродный потенциал E °Sn2+/Sn равен −0.136 В, а E пары °Sn4+/Sn2+ 0.151 В.

Химические свойства[править | править вики-текст]

При комнатной температуре олово, подобно соседу по группе германию, устойчиво к воздействию воздуха или воды. Такая инертность объясняется образованием поверхностной пленки оксидов. Заметное окисление олова на воздухе начинается при температурах выше 150 °C:

\mathsf{Sn + O_2 \rightarrow SnO_2}

При нагревании олово реагирует с большинством неметаллов. При этом образуются соединения в степени окисления +4, которая более характерна для олова, чем +2. Например:

\mathsf{Sn + 2Cl_2 \rightarrow SnCl_4}

Олово медленно реагирует c концентрированной соляной кислотой:

\mathsf{Sn + 4HCl \rightarrow H_2[SnCl_4] + H_2}

В разбавленной серной кислоте олово не растворяется, а с концентрированной — реагирует очень медленно.

Состав продукта реакции олова с азотной кислотой зависит от концентрации кислоты. В концентрированной азотной кислоте образуется оловянная кислота \beta-SnO2·nH2O (иногда её формулу записывают как H2SnO3). При этом олово ведет себя как неметалл:

\mathsf{Sn + 4HNO_3 \rightarrow \ SnO_2\cdot H_2O + 4NO_2 + H_2O}

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой олово проявляет свойства металла. В результате реакции образуется соль нитрат олова (II):

\mathsf{3Sn + 8HNO_3 \rightarrow 3Sn(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O}

При нагревании олово, подобно свинцу, может реагировать с водными растворами щелочей. При этом выделяется водород и образуется гидроксокомплекс Sn (II), например:

\mathsf{Sn + 2KOH + 2H_2O \rightarrow K_2[Sn(OH)_4] + H_2}

Гидрид олова — станнан SnH4 — можно получить по реакции:

\mathsf{SnCl_4 + Li[AlH_4] \rightarrow SnH_4 + LiCl + AlCl_3}

Этот гидрид весьма нестоек и медленно разлагается уже при температуре 0 °C.

Олову отвечают два оксида SnO2 (образующийся при обезвоживании оловянных кислот) и SnO. Последний можно получить при слабом нагревании гидроксида олова (II) Sn(OH)2 в вакууме:

\mathsf{Sn(OH)_2 \rightarrow SnO + H_2O}

При сильном нагреве оксид олова (II) диспропорционирует:

\mathsf{2SnO \rightarrow Sn + SnO_2}

При хранении на воздухе монооксид SnO постепенно окисляется:

\mathsf{2SnO + O_2 \rightarrow 2SnO_2}

При гидролизе растворов солей олова (IV) образуется белый осадок — так называемая \alpha-оловянная кислота:

\mathsf{SnCl_4 + 4NH_3 + 6H_2O \rightarrow H_2[Sn(OH)_6] + 4NH_4Cl}
\mathsf{H_2[Sn(OH)_6] \rightarrow \ SnO_2\cdot nH_2O + 3H_2O}

Свежеполученная \alpha-оловянная кислота растворяется в кислотах и щелочах:

\mathsf{SnO_2\cdot nH_2O + 2KOH \rightarrow K_2[Sn(OH)_6]}
\mathsf{SnO_2\cdot nH_2O + 4HNO_3 \rightarrow Sn(NO_3)_4 + nH_2O}

При хранении \alpha-оловянная кислота стареет, теряет воду и переходит в \beta-оловянную кислоту, которая отличается большей химической инертностью. Данное изменение свойств связывают с уменьшением числа активных HO-Sn группировок при стоянии и замене их на более инертные мостиковые -Sn-O-Sn- связи.

При действии на раствор соли Sn(II) растворами сульфидов выпадает осадок сульфида олова(II):

\mathsf{Sn^{2+} + S^{2-} \rightarrow SnS\downarrow}

Этот сульфид может быть легко окислен до SnS2 раствором полисульфида аммония:

\mathsf{SnS + (NH_4)_2S_2 \rightarrow SnS_2 + (NH_4)_2S}

Образующийся дисульфид SnS2 растворяется в растворе сульфида аммония (NH4)2S:

\mathsf{SnS_2 + 2(NH_4)_2S \rightarrow (NH_4)_4[SnS_4]}

Четырёхвалентное олово образует обширный класс оловоорганических соединений, используемых в органическом синтезе, в качестве пестицидов и других.

Оловянная чума[править | править вики-текст]

Серое и белое олово

При температуре ниже 13,2 °C происходит увеличение удельного объёма чистого олова на 25,6 %, и оно спонтанно переходит в другое фазовое состояние — серое олово (α-Sn), в кристаллической решётке которого атомы располагаются менее плотно. Одна модификация переходит в другую тем быстрее, чем ниже температура окружающей среды. При −33 °C скорость превращений становится максимальной. Олово трескается и превращается в порошок. Причём соприкосновение серого олова и белого приводит к «заражению» последнего. Совокупность этих явлений называется «оловянной чумой». Нынешнее название этому процессу в 1911 году дал Г. Коэн. Начало научного изучения этого фазового перехода было положено в 1870 году работами петербургского учёного, академика Ю. Фрицше. Установлено, что это есть процесс аллотропического превращения белого олова в серое со структурой типа алмаза. Много ценных наблюдений и мыслей об этом процессе высказано Д. И. Менделеевым в его «Основах химии».

Белое олово — серебристо-белый, блестящий металл со специфической тетрагональной структурой и электронным s2p2-состоянием — β-фазой. Серое олово — ковалентный кристалл со структурой алмаза и электронным sp3-состоянием — α-фазой. Фазовые переходы олова из белого в серое и обратно сопровождаются перестройкой электронной структуры и сильным (25,6 %) объёмным эффектом. Белое олово можно переохладить до гелиевых температур (температура фазового α-β-равновесия около +13,2 °C).

Одним из средств предотвращения «оловянной чумы» является добавление в олово стабилизатора, например висмута. С другой стороны, ускоряет процесс перехода белого олова в серое при не очень низких температурах катализатор хлорстаннат аммония (NH4)2SnCl6[16].

Любопытные факты:

  • «Оловянная чума» — одна из причин гибели экспедиции Скотта к Южному полюсу в 1912 г. Она осталась без горючего из-за того, что топливо просочилось из запаянных оловом баков, поражённых «оловянной чумой»[17].
  • Некоторые историки[кто?] указывают на «оловянную чуму» как на одно из обстоятельств поражения армии Наполеона в России в 1812 г. — сильные морозы привели к превращению оловянных пуговиц на мундирах солдат в порошок.
  • «Оловянная чума» погубила многие ценнейшие коллекции оловянных солдатиков. Например, в запасниках петербургского музея Александра Суворова превратились в труху десятки фигурок — в подвале, где они хранились, лопнули зимой батареи отопления.

Применение[править | править вики-текст]

  • Олово используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Главные промышленные применения олова — в белой жести (лужёное железо) для изготовления тары пищевых продуктов, в припоях для электроники, в домовых трубопроводах, в подшипниковых сплавах и в покрытиях из олова и его сплавов. Важнейший сплав олова — бронза (с медью). Другой известный сплав — пьютер — используется для изготовления посуды. Для этих целей расходуется около 33 % всего добываемого олова. До 60 % производимого олова используется в виде сплавов с медью, медью и цинком, медью и сурьмой (подшипниковый сплав, или баббит), с цинком (упаковочная фольга) и в виде оловянно-свинцовых и оловянно-цинковых припоев. В последнее время возрождается интерес к использованию металла, поскольку он наиболее «экологичен» среди тяжёлых цветных металлов. Используется для создания сверхпроводящих проводов на основе интерметаллического соединения Nb3Sn.

Дисульфид олова SnS2 применяют в составе красок, имитирующих позолоту («поталь»). Искусственный радионуклид олова 119mSn — источник гамма-излучения в мессбауэровской спектроскопии.

  • Олово является важнейшим легирующим компонентом при получении конструкционных сплавов титана.

Цены на металлическое олово в 2006 году составили в среднем 12—18 долл/кг, двуокись олова высокой чистоты около 25 долл/кг, монокристаллическое олово особой чистоты около 210 долл/кг.

Исследуются изолированные двумерные слои олова (станен), созданные по аналогии с графеном.[18][19]

Изотопы[править | править вики-текст]

Природное олово состоит из десяти стабильных нуклидов с массовыми числами 112 (в смеси 0,96 % по массе), 114 (0,66 %), 115 (0,35 %), 116 (14,30 %), 117 (7,61 %), 118 (24,03 %), 119 (8,58 %), 120 (32,85 %), 122 (4,72 %) и 124 (5,94 %). Для некоторых из них кинематически разрешён двойной бета-распад, однако экспериментально он ещё не наблюдался, поскольку предсказываемый период полураспада очень велик (более 1020 лет). Олово обладает наибольшим среди всех элементов числом стабильных изотопов, что связано с фактом, что 50 (число протонов в ядрах олова) является магическим числом — оно составлет заполненную протонную оболочку в ядре и повышает тем самым энергию связи и стабильность ядра. Известны два дважды магических изотопа олова, оба они радиоактивны, так как удалены от линии бета-стабильности: нейтронодефицитное 100Sn (Z = N = 50) и нейтроноизбыточное 132Sn (Z = 50, N = 82).

Изотопы олова 117Sn и 119Sn являются мёссбауэровскими изотопами и применяются в гамма-резонансной спектроскопии.

Физиологическое действие[править | править вики-текст]

О роли олова в живых организмах практически ничего не известно. В теле человека содержится примерно (1-2)· 10−4% олова, а его ежедневное поступление с пищей составляет 0,2-3,5 мг. Металлическое олово не токсично, что позволяет применять его в пищевой промышленности. Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение легких. Очень токсичны некоторые оловоорганические соединения. Временно допустимая концентрация соединений олова в атмосферном воздухе 0,05 мг/м3, ПДК олова в пищевых продуктах 200 мг/кг, в молочных продуктах и соках — 100 мг/кг. Токсическая доза олова для человека — 2 г.

Вредные примеси, содержащиеся в олове в обычных условиях хранения и применения, в том числе в расплаве при температуре до 600 °C, не выделяются в воздух рабочей зоны в объёмах, превышающих предельно допустимую концентрацию в соответствии с ГОСТ. Длительное (в течение 15—20 лет) воздействие пыли олова оказывает фиброгенное воздействие на лёгкие и может вызвать заболевание работающих пневмокониозом.

Галерея изображений[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. 1 2 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 382. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8
  3. Таблица Менделеева (недоступная ссылка с 21-05-2013 (469 дней) — историякопия) на сайте ИЮПАК.
  4. Л. А. Введенская, Н. П. Колесников. Этимология: Учебное пособие // СПб.: Питер, 2004, стр. 122.
  5. Войткевич Г. В., Мирошников А. Е., Поваренных А. С. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, 1970
  6. 1 2 Барсуков В. Л. и др. Основные черты геохимии олова. М.: Наука, 1974.
  7. Еремеев Н. В. и др. Самородные элементы в лампроидах Центрального Алдана.//Доклады АН СССР, 1988, 303, 6, С.1464 — 1467
  8. 1 2 Самородное минералообразование в магматических процессах. Часть I и II. Якутск, 1981
  9. Крылова В. В. и др. Олово, свинец и интерметаллические соединения в рудах золото-серебряной формации./Труды ЦНИГРИ, 1979, Т.142, С.22 — 28
  10. Некрасов И. Я. Фазовые соотношения в олово-содержащих системах. М.: Наука, 1976
  11. Говоров И. Н. Геохимия рудных районов Приморья. М.: Наука, 1977
  12. 1 2 Некрасов И. Я. Фазовые соотношения в олово-содержащих системах М.: Наука, 1976
  13. 1 2 Некрасов И. Я. Олово в магматических и постмагматических процессах. М.: Наука, 1874.
  14. Большаков К. А., Федоров П. И. Химия и технология малых металлов. М., 1984.
  15. Радиационная химия // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд. / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — С. 200. — ISBN 5-7155-0292-6.
  16. Паравян Н.А. Оловянная чума // Химия и жизнь. — 1979. — № 7. — С. 69-70.
  17. Оловянная чума — БСЭ
  18. Станен стал конкурентом графена, Lenta.ru (22 ноября 2013). Проверено 24 ноября 2013.
  19. Will 2-D Tin be the Next Super Material? Theorists Predict New Single-Layer Material Could Go Beyond Graphene, Conducting Electricity with 100 Percent Efficiency at Room Temperature, SLAC (21 ноября 2013). Проверено 24 ноября 2013., по материалам Yong Xu et al., Physical Review Letters, 27 Sept 2013 (10.1103/PhysRevLett.111.136804)

Ссылки[править | править вики-текст]